Beskontaktni senzori

Zašto beskontaktni senzori

Mehanička granična sklopka iz jedinice 4.2 jednostavna je i razumljiva, ali ima tri slabosti: troši se, jer ima pokretne dijelove i kontakte; traži dodir i silu, pa ne može osjetiti lagan, mekan ili vruć predmet; i spora je, jer kontakt odskakuje i mehanizam ima tromost. Beskontaktni senzori uklanjaju te slabosti. Predmet osjećaju preko polja — elektromagnetskog, električnog, magnetskog, svjetlosnog ili zvučnog — a izlaz im je elektronički sklop, najčešće tranzistor.

Posljedice su važne za održavanje i rad. Nema trošenja kontakata, pa je vijek praktički neovisan o broju preklapanja. Nema odskakivanja, pa signal smije ići izravno na brojilo ili brzi ulaz. Frekvencija preklapanja doseže stotine do tisuće preklapanja u sekundi. Senzori su zatvoreni, najčešće u stupnju zaštite IP67, pa podnose ulje, vodu i prašinu. Cijena je da senzor treba vlastito napajanje, ima ograničen domet koji ovisi o materijalu i mora se pravilno ugraditi.

U elektropneumatici se beskontaktni senzori rabe u dvije velike skupine: senzori položaja cilindra (magnetski, u utoru plašta) i senzori prisutnosti izratka ili dijela stroja (induktivni, kapacitivni, optički, ultrazvučni). Na napravi SL-3 krajnje položaje cilindara A, B i C javljaju magnetski senzori B1–B6, a prisutnost lima u napravi prije stezanja javlja induktivni senzor B7.

Induktivni i kapacitivni senzori

Induktivni senzor ima na aktivnoj površini zavojnicu na feritnoj jezgri u obliku lončića, koja je dio LC-oscilatora. Oscilator stvara izmjenično magnetsko polje visoke frekvencije koje izlazi ispred čela senzora. Kad u to polje uđe električki vodljiv predmet, u njemu se induciraju vrtložne struje koje oduzimaju energiju oscilatoru i smanjuju mu amplitudu titranja. Elektronika iza oscilatora (demodulator i okidni sklop) prati amplitudu i, kad padne ispod praga, preklopi izlazni tranzistor.

Induktivni senzor reagira samo na metale, a domet mu ovisi o vrsti metala. Nazivni domet S_n određen je normom za kvadratnu pločicu od konstrukcijskog čelika debljine 1 mm i stranice jednake promjeru aktivne površine. Za druge metale domet je manji i iskazuje se faktorom redukcije. Tipični nazivni dometi su skromni: senzor promjera M12 u ugradnoj izvedbi ima oko 2 mm, u neugradnoj oko 4 mm; M18 oko 5 i 8 mm; M30 oko 10 i 15 mm.

Kapacitivni senzor ima na čelu elektrodu koja s okolinom čini kondenzator u oscilatorskom krugu. Svaki predmet s dielektričnom konstantom većom od zraka, dakle i plastika, drvo, staklo, papir, voda, zrnati materijal, mijenja kapacitet i oscilator počne titrati ili titra jače. Kapacitivni senzor tako osjeća gotovo sve materijale, a najjače vodu i metale. Upotrebljava se za kontrolu razine zrnatog materijala ili tekućine, i to kroz stijenku nevodljivog spremnika. Zbog osjetljivosti na vlagu i prljavštinu na čelu ima potenciometar za namještanje osjetljivosti, a pri radu se povremeno mora čistiti.

Vrijednosti u tablici ovise o izvedbi senzora; postoje i senzori s faktorom 1 za sve metale. Za stvarni projekt faktor se uzima iz kataloga proizvođača odabranog senzora.

Domet, histereza i ugradnja

Domet beskontaktnog senzora opisuje se s nekoliko veličina. Nazivni domet S_n je kataloška vrijednost bez odstupanja. Stvarni domet pojedinog primjerka zbog proizvodnih odstupanja smije biti 90 do 110 % nazivnog. Uz to se domet mijenja s temperaturom i naponom napajanja još za oko ±10 %. Osigurani domet S_a je udaljenost na kojoj senzor sigurno uklopi u svim uvjetima; za induktivne senzore iznosi od 0 do 0,81 · S_n (0,9 · 0,9 = 0,81). Pri projektiranju se računa s osiguranim dometom, a ne s nazivnim.

Histereza je razlika između udaljenosti uključenja pri približavanju i udaljenosti isključenja pri udaljavanju predmeta. Kod induktivnih senzora obično je do 15 % stvarnog dometa. Histereza je namjerna: bez nje bi izlaz titrao kad predmet stoji točno na granici ili lagano vibrira. Posljedica je da predmet mora otići nešto dalje nego što je bio kad je senzor uključio da bi se izlaz isključio.

Ugradnja. Induktivni senzori izrađuju se u ugradnoj (engl. flush) i neugradnoj (non-flush) izvedbi. Ugradni ima zaštićenu bočnu stranu zavojnice pa se smije ugraditi u metal poravnano s čelom; zbog toga ima manji domet. Neugradni ima veći domet, ali oko čela mora imati slobodan prostor bez metala (obično nekoliko promjera zavojnice sprijeda i sa strane), inače okolni metal trajno priguši oscilator. Dva senzora jedan pokraj drugog moraju biti razmaknuta najmanje koliko kaže katalog, obično dva do tri promjera, ili se biraju izvedbe s pomaknutom frekvencijom, jer se inače međusobno ometaju.

Optički senzori

Optički senzor (fotoelektrični senzor) ima odašiljač svjetla, najčešće svjetleću diodu s crvenim, infracrvenim ili laserskim svjetlom, i prijamnik, fotodiodu ili fototranzistor. Svjetlo je modulirano, tj. odašiljač titra zadanom frekvencijom, a prijamnik prihvaća samo svjetlo te frekvencije. Tako senzor ne smeta danje svjetlo ni rasvjeta u pogonu. Prema rasporedu odašiljača i prijamnika postoje tri izvedbe.

Jednosmjerni senzor (svjetlosna barijera) ima odašiljač i prijamnik u zasebnim kućištima, jedan nasuprot drugome. Predmet prekida snop. Domet je najveći, i do nekoliko desetaka metara, a rad je najpouzdaniji, jer ne ovisi o boji ni površini predmeta. Nedostatak je što se na dvije strane moraju dovesti vodiči i poravnati dva kućišta.

Refleksni senzor ima odašiljač i prijamnik u istom kućištu, a nasuprot njemu stoji reflektor (trostruko prizmatično zrcalo) koje svjetlo vraća u smjeru iz kojeg je došlo. Predmet prekida snop. Domet je do nekoliko metara. Sjajni predmeti mogu reflektirati svjetlo kao reflektor i zavarati senzor; zato se za njih rabi izvedba s polarizacijskim filtrom, koja prihvaća samo svjetlo čiju je polarizaciju reflektor zakrenuo.

Difuzni senzor (senzor s odbijanjem od predmeta) također ima odašiljač i prijamnik u istom kućištu, ali reflektora nema: svjetlo raspršuje sam predmet i dio ga se vraća u prijamnik. Montaža je najjednostavnija, ali domet je najkraći i ovisi o boji i površini predmeta: bijeli papir vraća mnogo svjetla, crna guma vrlo malo. Izvedbe s potiskivanjem pozadine mjere kut povratnog svjetla i ne reagiraju na predmete iza zadane udaljenosti.

Optički senzori imaju izbor svijetlog ili tamnog uključenja: izlaz je uključen kad prijamnik prima svjetlo ili kad ga ne prima. Kod jednosmjernih i refleksnih senzora često se bira tamno uključenje, jer tada prekid snopa predmetom daje signal 1.

Magnetski i ultrazvučni senzori

Magnetski senzori reagiraju na polje trajnog magneta. Za položaj cilindra to je magnetski prsten u klipu. Reed-sklopka (jedinica 4.2) jest magnetski senzor, ali s mehaničkim kontaktom. Elektronički magnetski senzor ima umjesto kontakta magnetootporno osjetilo (tanki sloj čiji se električni otpor mijenja u magnetskom polju) ili Hallovo osjetilo, a iza njega elektroniku s tranzistorskim izlazom. Takav senzor ne odskakuje, nema trošenja, preklapa brže i izvodi se kao trožilni PNP. Pri odabiru pazite da je senzor namijenjen utoru na plaštu upravo tog cilindra i da podnosi magnetska polja u blizini, npr. zavarivačkih strojeva.

Ultrazvučni senzor šalje kratke impulse zvuka frekvencije iznad čujnog područja (desetke do stotine kiloherca) i mjeri vrijeme do povratka odjeka. Udaljenost je s = c · t / 2, gdje je c brzina zvuka u zraku, oko 343 m/s pri 20 °C. Za predmet na 0,5 m odjek se vraća za t = 2 · 0,5 / 343 ≈ 2,9 ms. Ultrazvučni senzor osjeća gotovo sve materijale i boje, prozirna tijela i tekućine, pa se rabi za razinu u spremnicima, nadzor visine hrpe limova ili kontrolu prisutnosti prozirne ambalaže. Ima slijepu zonu neposredno ispred čela u kojoj ne vidi, a mekani, zvukoupojni materijali (spužva, vuna) i jako nagnute površine slabo vraćaju odjek. Mnogi ultrazvučni senzori imaju i analogni izlaz, 4–20 mA ili 0–10 V, razmjeran udaljenosti.

Izlaz PNP i NPN i trožilni spoj

Većina beskontaktnih senzora spaja se s tri vodiča označena bojama: BN (smeđi) +24 V, BU (plavi) 0 V i BK (crni) izlaz. Četverožilni senzori imaju i WH (bijeli) za drugi, obično komplementarni izlaz. Izlaz je tranzistor koji se ponaša kao elektronička sklopka, a prema tome kamo sklapa razlikuju se dvije izvedbe.

PNP izlaz (izlaz „izvor", engl. sourcing) u uključenom stanju spaja izlaz BK s +24 V. Trošilo ili ulaz PLC-a spaja se između BK i 0 V. NPN izlaz (izlaz „ponor", sinking) u uključenom stanju spaja izlaz s 0 V, pa se trošilo spaja između +24 V i BK. U Europi je u strojogradnji uobičajen PNP, jer uz uzemljeni pol 0 V spoj izlaza s masom zbog oštećenja izolacije ne može uključiti trošilo. NPN se češće sreće na strojevima iz nekih drugih tržišta. Senzor i ulaz PLC-a moraju biti usklađeni: ulazna kartica za PNP senzore ne radi s NPN senzorom i obratno.

Uz tri vodiča postoje i dvožilni senzori, koji se spajaju u niz s trošilom kao obična sklopka. Jednostavni su za ožičenje, ali elektronika se napaja kroz trošilo, pa i u isključenom stanju teče mala preostala struja, a u uključenom stanju na senzoru pada nekoliko volti. Pri spajanju na ulaz PLC-a treba provjeriti da preostala struja ne drži ulaz u stanju 1. Na kućištu gotovo svakog senzora nalazi se svjetleća dioda koja pokazuje stanje izlaza — prvo mjesto na koje se gleda pri traženju kvara.

Računski prikaz: stvarni domet induktivnog senzora

Stvarni nazivni domet za materijal predmeta dobiva se množenjem nazivnog dometa faktorom redukcije: S_n,m = k · S_n. Osigurani domet je S_a = 0,81 · S_n,m. Ugradna udaljenost s smije biti najviše jednaka osiguranom dometu. Udaljenost isključenja pri udaljavanju predmeta orijentacijski je S_n,m · (1 + H), gdje je H histereza.

S_a = 0,81 · k · S_n     uvjet: s ≤ S_a

Na napravi SL-3 senzor B7 javlja prisutnost lima. Uzmimo neugradni induktivni senzor M12 s nazivnim dometom 4 mm, ugrađen tako da je lim 2 mm ispred čela. Za čelični lim (k = 1,0) osigurani je domet 0,81 · 4 = 3,24 mm, pa senzor pouzdano radi. Za nehrđajući čelik (k = 0,7) S_a = 2,27 mm, još uvijek dovoljno. Za mjedeni lim (k = 0,5) nazivni domet pada na 2,0 mm, a osigurani na 1,62 mm: senzor bi u ispitivanju možda i proradio, ali ne pouzdano. Za aluminij (k = 0,4) osigurani domet je samo 1,30 mm. Ako se na napravi savija i aluminijski lim, senzor treba primaknuti na najviše 1,3 mm, uzeti senzor većeg dometa (npr. M18 s 8 mm) ili izvedbu s faktorom 1 za sve metale.

Ključni pojmovi

Provjeri se

Kratka provjera prije prelaska na sljedeću jedinicu. Odgovor se potvrđuje klikom, a obrazloženje se prikazuje odmah.

Vježbe uz jedinicu

Gradivo ove jedinice priprema za sljedeće vježbe:

• V23 Beskontaktni senzori · 2 sata